Festoxid-Elektrolyse und Brennstoffzellen-Systeme
Dieser Forschungsbereich entwickelt verfahrenstechnische Systeme mit elektrochemischen Hochtemperatur-Reaktoren, die bei 600–850°C arbeiten. Im Fokus stehen Festoxidzellen (SOC), die sowohl im Elektrolysemodus (SOEC) zur Produktion von Wasserstoff und Synthesegasen als auch im Brennstoffzellenmodus (SOFC) zur emissionsfreien Energieerzeugung genutzt werden. Diese Reaktoren bieten höchste Wirkungsgrade und können langfristig sogar zur direkten elektrochemischen Synthese von Kraftstoffen und Chemikalien beitragen – ein entscheidender Schritt für eine nachhaltige Energiezukunft.
Anwendungsfelder
Der Bereich konzentriert sich auf die Entwicklung multifunktionaler Brennstoffzellensysteme und innovativer Elektrolysetechnologien, die speziell auf die Anforderungen anspruchsvoller Anwendungen wie Schiffsantriebe oder industrielle Energiesysteme abgestimmt sind. Im Mittelpunkt stehen die Auswahl geeigneter Komponenten, systematische Modellierung und Simulation sowie maßgeschneiderte Systemdesigns. Ziel ist es, kritische Systemkomponenten zu entwickeln, die Systemintegration zu verbessern, Betriebsstrategien zu optimieren und Konzepte für die Hochskalierung zu erarbeiten.
Ziele sind:
- Effiziente Betriebsstrategien: Entwicklung von Strategien für einen effizienten, langlebigen und degradationsarmen Betrieb integrierter Elektrolyse- und Brennstoffzellensysteme.
- Skalierung von Energiesystemen: Erforschung und Entwicklung von Elektrolysesystemen im Bereich 100 MW+ und Brennstoffzellensystemen ab 10 MW+.
- Systemintegration und Simulation: Experimentelle und simulative Analysen von gekoppelten Brennstoffzellensystemen sowie Up-/Downstream-Prozessen im Bereich von 100 kW+.
- Hybridsysteme der Zukunft: Entwicklung hocheffizienter Hybridsysteme mit minimalem Bedarf an Leistungselektronik und optimierter direkter Kopplung von Batterie- und Brennstoffzellensystemen.
Expertise
Die enge Verzahnung von Simulation und Experiment ist für die Arbeiten des Forschungsbereichs von wesentlicher Bedeutung. Zum Erreichen der Ziele wird ein kombinierter Ansatz genutzt, der vier wissenschaftliche Methoden und Instrumente eng miteinander verbindet.
Erarbeitung und Analyse von Systemkonzepten (Simulationstool: CELESTE)
Thermodynamische und reaktionskinetische Simulation für die Energie- und Exergieanalyse; Erarbeiten und Vergleichen von verfahrenstechnischen Systemkonfigurationen, mit dem Fokus auf der Integration elektrochemischer Reaktoren.
Transiente, verfahrenstechnische Systemsimulation (Simulationstool: TEMPEST)
Prozesssimulation mit dem Fokus auf elektrochemischen Reaktoren zum Erarbeiten und Erforschen von Betriebsstrategien für verfahrenstechnische Gesamt- und Teilprozesse.
Experimentelle Reaktoruntersuchungen
Druckaufgeladene und atmosphärische Untersuchungen an SOC-Stacks (bis ca. 2 kW auf Teststand HORST und Reaktormodulen mit mehreren, gekoppelten SOC-Stacks (bis 120 kW auf Teststand GALACTICA); Parametrierung und Validierung der CELESTE- und TEMPEST-Modelle; Erprobung von Betriebsstrategien aus TEMPEST-Simulationen.
Verfahrenstechnische Systemexperimente
Aufbau und Betrieb von exemplarischen, komplexen verfahrenstechnischen Prozessketten/Teilprozessketten (e-XPlore: druckaufgeladenes SOC-Elektrolysesystem für die direkte Kopplung an Downstream-Syntheseprozesse; Hybridkraftwerk: virtuell gekoppeltes Hybridkraftwerk aus druckaufgeladener SOFC und Gasturbine).
Kontakt
Expertise Elektrolyseure